偉晶巖型高純石英資源全鏈條調(diào)查評價體系的建立與實踐
——以北秦嶺地區(qū)調(diào)查評價為例

張海啟，張宏麗，馬亞夢，朱黎寬，郭理想，劉廣學，郭峰，王守敬

1.中國地質(zhì)科學院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所, 河南 鄭州 450006；

2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心, 河南 鄭州 450006；

3.自然資源部高純石英資源開發(fā)利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心, 河南 鄭州 450006

1 前言

高純石英是世界稀缺、我國短缺的戰(zhàn)略性資源，廣泛應用于半導體、光纖、光伏、光學、電光源等領域，是新一代信息產(chǎn)業(yè)、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎材料。以芯片制造為例，高純石英資源制備的坩堝、法蘭等是芯片制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)不可替代的支撐保護材料，對整個芯片產(chǎn)業(yè)起到“四兩撥千斤”的作用。

據(jù)CBC 金屬網(wǎng)資料統(tǒng)計[1]，全球可以加工4N5 級（即SiO2含量≥99.995%，下同）高純石英及以上質(zhì)量的高純石英資源量約2 000 萬t，90%集中在美國（1 822 萬t）。4N8 級及以上高端高純石英原料全部來自于美國矽比科（原尤尼明）公司的花崗偉晶巖型石英資源。我國是全球最大的高純石英工業(yè)原料進口國，每年進口4N 級及以上高純石英資源14.45 萬t，約占全球總進口量（20.54 萬t）的70%[2]，用于石英坩堝內(nèi)層料的4N8 級高端高純石英更是完全依賴進口。加快高純石英資源的國產(chǎn)化自主供給迫在眉睫。

石英資源的工業(yè)類型主要有脈石英、水晶、石英砂巖、石英巖、粉石英、天然石英砂、偉晶巖石英7 種。高純石英幾乎完全由SiO2組成，在自然界中十分少見（如水晶），通常通過對天然形成的較純凈石英進行提純加工得到[3-5]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)高純石英資源的找礦方向主要側(cè)重于脈石英，但已有研究表明，可用于提取高純石英的脈石英資源儲量僅709 萬t[6]，且多呈脈狀、雞窩狀分布，礦床規(guī)模小、礦石品質(zhì)不穩(wěn)定，這些脈石英礦床中可能只有很少一部分能生產(chǎn)出適用于半導體工業(yè)和芯片制造行業(yè)的高純石英砂，難以滿足高純石英高端產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的需要，亟待尋找礦體規(guī)模大、礦石品質(zhì)穩(wěn)定的新類型資源。偉晶巖型石英資源具有規(guī)模大、一般雜質(zhì)元素較少、品質(zhì)穩(wěn)定、流體包裹體含量較低等特征，成為我國尋找高純石英資源的新方向[7-8]。由于我國偉晶巖型高純石英地質(zhì)勘查、礦床研究、儲量評估及開發(fā)利用之前處于空白狀態(tài)，尚未獲得偉晶巖型高純石英找礦發(fā)現(xiàn)。

是否可制備出高純石英與偉晶巖脈體的資源稟賦息息相關(guān)，同一脈體內(nèi)不同位置石英晶體工藝礦物學性質(zhì)的微小差異都會導致最終石英產(chǎn)品品質(zhì)的差異。因此，我國目前礦產(chǎn)資源調(diào)查評價通過選冶試驗進行資源品質(zhì)評價的方法并不適用于高純石英資源。行業(yè)目前對于高純石英原料選擇還存在較大的盲目性，特別是偉晶巖型高純石英的資源評價。不同地區(qū)偉晶巖在巖石成因、礦物組成、物理化學條件、成礦時代等方面存在差異，要從我國廣泛分布的各類偉晶巖中找尋可制備高純石英的資源，為提高找礦效率，用一套系統(tǒng)的方法逐步縮小找礦范圍勢在必行。同時，高純石英原料的優(yōu)劣與雜質(zhì)元素含量的高低并非簡單的對應關(guān)系[9]，而與原料的工藝礦物學、雜質(zhì)元素賦存和流體包裹體特征有關(guān)，需從原料—工藝礦物學—加工利用等各個環(huán)節(jié)詳細研究，才能科學評價高純石英原料制備高純石英產(chǎn)品的潛力。

分析測試作為準確衡量、界定不同品質(zhì)高純石英產(chǎn)品的重要手段，目前缺乏統(tǒng)一標準。我國現(xiàn)行高純石英類分析測試標準方法與高純石英市場通用指標元素界定指標種類、高低不統(tǒng)一等原因[10-14]，各高純石英研發(fā)機構(gòu)與企業(yè)在產(chǎn)品質(zhì)量控制中一般采用內(nèi)部認定的分析測試方法，并最終以產(chǎn)品在終端材料市場的應用反饋來界定分析測試的準確性。因此，作為高純石英資源從原料端到產(chǎn)品端的重要支撐技術(shù)，配套建立原料—工藝礦物學研究—加工利用各個環(huán)節(jié)樣品的測試技術(shù)至關(guān)重要。

綜上所述，作者研究團隊將地質(zhì)學、礦物學、礦物加工與冶金工程、檢測分析等多學科交叉融合，開創(chuàng)性地建立國內(nèi)唯一的高純石英全鏈條調(diào)查評價體系，并以北秦嶺地區(qū)偉晶巖型高純石英資源為研究對象進行了實踐驗證，旨在為我國高純石英資源調(diào)查評價工作提供借鑒，支撐服務我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵資源材料安全供給。

2 全鏈條調(diào)查評價體系的內(nèi)涵

作者研究團隊近些年在高純石英資源調(diào)查領域開展了大量的調(diào)查研究，系統(tǒng)性建立了“成礦遠景區(qū)預測—調(diào)查區(qū)圈定—樣品精準采集—預處理—選礦深度除雜—化學深度提純—產(chǎn)品檢測分析”的全鏈條調(diào)查評價體系，如圖1 所示。

圖1 偉晶巖型高純石英資源全鏈條調(diào)查評價體系Fig. 1 Whole chain survey and evaluation system for pegmatite type high purity quartz resources

2.1 成礦遠景區(qū)預測

全面收集、整理和綜合分析全國以往地質(zhì)礦產(chǎn)和科研等成果資料，根據(jù)偉晶巖（體）脈的巖石學、礦物學、巖石地球化學等特征，初步厘定出具有高純石英成礦潛力巖（體）脈類型；對具備制備高純石英資源潛力的偉晶巖進行規(guī)模、類型、巖石學、巖石地球化學、成因等特征對比分析，選取成礦遠景區(qū)。

2.2 調(diào)查區(qū)圈定

根據(jù)成礦遠景區(qū)內(nèi)偉晶巖的分布，綜合考慮偉晶巖中高純石英稟賦、區(qū)域生態(tài)紅線和礦權(quán)分布，圈定重點調(diào)查區(qū)，編制調(diào)查區(qū)地質(zhì)圖、成礦規(guī)律圖和工作部署圖等圖件，為野外調(diào)查、樣品采集奠定工作基礎。

2.3 樣品精準采集

全面梳理調(diào)查區(qū)偉晶巖巖（體）脈分布、規(guī)模、類型等特征，基于高純石英野外識別標志，通過一般性面上路線調(diào)查，采集調(diào)查區(qū)內(nèi)代表性樣品；依據(jù)石英在顯微鏡下透明度、交代關(guān)系和風化程度的差異，通過便攜電子顯微照相技術(shù)對高純石英樣品開展野外快速初步篩選。

在野外樣品篩選的基礎上，開展代表性樣品工藝礦物學研究。將樣品破碎后制備成環(huán)氧樹脂靶樣，利用FEI MLA 650 礦物解離度分析儀對其礦物組成及含量進行定量檢測，采用ZEISS Axioskop 40 光學顯微鏡對樣品薄片進行觀察鑒定，查明主要礦物的嵌布特性，精準獲取礦物代表性特征。

將代表性樣品進行破碎、篩分，利用Olympus SZ61雙目視顯鏡人工挑選石英單礦物，制備油浸片，利用ZEISS Axioskop 40 光學顯微鏡觀察石英中的流體包裹體發(fā)育情況，實現(xiàn)低流體包裹體高純石英原料的源頭篩選。

2.4 樣品預處理

采用高壓輥磨+精細分級手段使大塊礦石沿不同礦物的結(jié)晶面進行解離，對合格粒級產(chǎn)品進行窄級別分離，利用風力分選+光電色選工藝預先綜合回收礦石中的片狀云母和顆粒狀長石，并將石英按照透明度進行分質(zhì)分級，提高礦石綜合利用率，降低后續(xù)石英除雜難度。

2.5 選礦深度除雜

采用精細制砂-重選-磁選-浮選等物理聯(lián)合選別工藝的高純石英原料深度選礦除雜標準評價流程，快速精準地完成偉晶巖型石英的選礦提純，去除幾乎全部單體解離的脈石礦物和絕大部分貧連生體，獲得SiO2純度為3N 級以上的高純石英精礦。該選礦除雜標準流程是在對大量不同雜質(zhì)類型、不同雜質(zhì)含量的偉晶巖型高純石英樣品進行除雜的基礎上探索形成的。

2.6 化學深度提純

針對高純石英精礦，采用混合酸浸、煅燒水淬等聯(lián)合處理工藝的高純石英深度化學提純標準流程，獲得SiO2純度為4N 以上的高純石英砂。該提純標準流程是在大量的偉晶巖型高純石英精礦化學深度提純試驗中優(yōu)化形成的，能夠有效去除石英晶間雜質(zhì)和大部分包裹體雜質(zhì)。

2.7 產(chǎn)品檢測分析

建立高純石英產(chǎn)品分析測試專用平臺，通過嚴格控制樣品化學前處理的場所環(huán)境質(zhì)量，保證樣品分析測試過程無環(huán)境干擾；基于1.000 0 g 以上樣品稱樣量，百級化學安全柜內(nèi)常壓-混酸溶樣后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法/質(zhì)譜法聯(lián)用的測量手段，實現(xiàn)樣品中鋁、鉀、鈣、鈉、鎂、鐵、鈦、鋰、硼、鉻、銅、錳、鎳、磷、鋯、鈾、釷、鍺及稀土元素的含量測定[15-16]。同時，根據(jù)高純石英樣品中痕量雜質(zhì)元素在樣品中分布不均勻的特點，采用3 次平行測定取平均值的方法，最終確定樣品內(nèi)雜質(zhì)元素含量水平。

3 全鏈條評價體系的應用

美國尤尼明公司IOTA 高純石英系列產(chǎn)品在國際上占有壟斷地位，根本原因是擁有迄今為止世界上唯一發(fā)現(xiàn)的獨特高純石英優(yōu)質(zhì)原料，該原料為產(chǎn)自美國北卡羅來納州Spruce Pine 地區(qū)的花崗偉晶巖。在大量的實踐調(diào)查與類比分析的基礎上，作者團隊將北秦嶺地區(qū)花崗偉晶巖與美國Spruce Pine 偉晶巖進行巖石地球化學特征對比研究，顯示其具有高純石英成礦潛力。因此，選擇北秦嶺地區(qū)進行全鏈條體系的方法驗證，以實現(xiàn)北秦嶺地區(qū)偉晶巖型高純石英資源的精準調(diào)查評價。

3.1 預測成礦遠景區(qū)及圈定調(diào)查區(qū)

基于美國Spruce Pine 花崗偉晶巖型高純石英礦床成礦地質(zhì)背景和成礦規(guī)律，根據(jù)我國部分預測目標區(qū)巖（體）脈的礦物學、巖石學、巖石地球化學等特征，厘定出具有高純石英成礦潛力的巖（體）脈的類型，選取北秦嶺作為高純石英的成礦遠景區(qū)。北秦嶺偉晶巖帶位于秦祁昆造山系秦嶺弧盆系的北秦嶺地塊，朱夏斷裂帶與商丹斷裂帶之間，受加里東期構(gòu)造巖漿巖帶控制，侵位于中新元古界峽河巖群、古元古界秦嶺巖群片巖、片麻巖中，形成4 個密集區(qū)，是開展偉晶巖型高純石英找礦的有利地區(qū)。

依據(jù)北秦嶺成礦遠景區(qū)內(nèi)偉晶巖中高純石英稟賦特征、區(qū)域生態(tài)紅線和礦權(quán)分布情況，優(yōu)選黃柏溝-龍泉坪地區(qū)作為重點調(diào)查區(qū)。該地區(qū)花崗偉晶巖脈分布密集，多分布在花崗巖體的內(nèi)外接觸帶，特別是外帶，大小懸殊。其中脈體長度在200～500 m、寬在20～30 m 的偉晶巖脈占70%，脈體長度約450～600 m不等、寬40～80 m 不等的偉晶巖脈占30%。脈體分帶良好，自邊部至核部，主要組成礦物粒徑逐漸變粗。區(qū)內(nèi)偉晶巖脈一般分異程度不高，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造較簡單，脈體分布集中、延伸穩(wěn)定、規(guī)模較大。

3.2 高純石英工藝礦物學評價

基于野外調(diào)查與室內(nèi)研究相結(jié)合，作者團隊對北秦嶺350 條偉晶巖脈進行野外樣品精準采集。評價顯示區(qū)內(nèi)11 條偉晶巖脈體可制備出4N 級高純石英，分屬黑云母-微斜長石型、白云母-微斜長石型、白云母-二長型、白云母-鈉長石型4 個類型，主要礦物組成為鉀長石、鈉長石、石英、云母及少量石榴子石、電氣石，石英礦物含量25%～40%。高純石英礦體厚度較穩(wěn)定，變化不大，礦石質(zhì)量穩(wěn)定，礦床受構(gòu)造影響輕微。

從11 條可制備出4N 級高純石英的偉晶巖脈體中篩選出LD-05、LD-10、LS12 和DL106 四件代表性樣品開展詳細的工藝礦物學研究，其礦物組成及含量分析結(jié)果如表1 所示。LD-05 樣品為白云母花崗偉晶巖，主要礦物組成為鈉長石、石英、鉀長石、白云母和斜長石，此外還可見少量磷灰石、石榴子石和黑云母等。LD-10 和LS12 樣品為含石榴子石花崗偉晶巖，主要礦物組成為石英、鉀長石和鈉長石，此外還可見少量白云母、黑云母和石榴子石等。DL106 樣品為含電氣石花崗偉晶巖，主要礦物組成為斜長石、石英、鉀長石和白云母，此外還可見少量黑云母、電氣石和磷灰石等。

表1 代表性樣品的礦物組成及含量Table 1 Mineral composition and content of representative samples

對代表性樣品進行破碎，人工挑選石英單礦物制備油浸片，利用偏反光顯微鏡對其觀察發(fā)現(xiàn)石英顆?？煞譃榧儍纛w粒和非純凈顆粒，純凈顆粒幾乎不含流體包裹體和礦物包裹體等雜質(zhì)，非純凈的石英顆粒包含流體包裹體和礦物包裹體兩類雜質(zhì)。流體包裹體可見呈面狀分布的原生包裹體和呈線狀分布的次生包裹體，兩類包裹體的尺寸均較小、多數(shù)在10 μm 以下，僅有個別原生包裹體尺寸大于10 μm（見圖2a、b）。原生包裹體多為氣液兩相包裹體（見圖2c）和純液相包裹體，僅見少量含子晶三相包裹體（見圖2d）。次生包裹體尺寸普遍很小，不易分辨其包裹體類型[8]。流體包裹體中原生包裹體含量多于次生包裹體，含量總體較少。礦物包裹體可見呈針狀礦物和不規(guī)則粒狀的不透明礦物等。礦物包裹體含量很少。

圖2 石英中包裹體特征Fig. 2 Characteristics of the inclusions in quartz

4 高純石英產(chǎn)品精深加工

為使高純石英礦物達到超高純程度，采用第二節(jié)所述方法進行了高純石英產(chǎn)品加工和分析測試，對北秦嶺地區(qū)代表性樣品LD-05、LD-10、LS12 和DL106進行了預處理、選礦深度除雜及化學深度提純研究。

結(jié)果表明，北秦嶺東段不同脈體的高純石英資源均具備制備高純石英的潛力，其中LD-10 為黑云母偉晶巖型高純石英資源， Ti 雜質(zhì)元素含量較高、達12.47 μg/g，雜質(zhì)的去除反應是由Me-O 鍵的鍵能及性質(zhì)所決定，Ti-O 鍵鍵能＞Si-O 鍵鍵能[17-19]，故Ti 極難去除，制約了LD-10 進一步制備高端高純石英的可能，下一步可進行高Ti 高純石英產(chǎn)品的應用潛力評價，拓寬高Ti 高純石英的應用。DL106 中存在于礦物晶格中的Al 雜質(zhì)元素含量較高，適量的Al 元素能夠增強坩堝強度，但雜質(zhì)元素過多會導致坩堝產(chǎn)生氣泡和色斑等缺陷，降低石英坩堝透明度，嚴重時還影響坩堝成形[20]。LD-05 及LS12 雜質(zhì)元素最低，且表現(xiàn)出相似的雜質(zhì)元素含量，是北秦嶺東段高純石英資源中最具潛力的，可進一步改進工藝，以制備更高純度的高純石英砂。

經(jīng)預處理及選礦深度除雜，上述四件代表性樣品的高純石英精礦SiO2含量可達99.95%以上，部分達到了99.98%，主要雜質(zhì)元素含量如表2 所示。經(jīng)化學深度提純，四種代表性樣品制備的高純石英砂SiO2含量達到或接近99.995%，主要雜質(zhì)元素含量如表3所示。

表2 代表性樣品經(jīng)選礦深度除雜后主要雜質(zhì)元素含量 /（μg·g-1）Table 2 Main impurity elements content of representative samples after deep beneficiation de-impurity

表3 代表性樣品經(jīng)化學深度提純后主要雜質(zhì)元素含量 /（μg·g-1）Table 3 Main impurity elements content of representative samples after chemical deep purification

作者研究團隊利用自主研發(fā)的礦物顯微成像自動分析系統(tǒng)對石英中的流體包裹體指數(shù)進行了計算[21]，結(jié)果見表4。從表4 可以看出，以美國尤尼明公司生產(chǎn)的標準砂（IOTA-STD）為參考標準，將其設置為100，越接近該值表明其產(chǎn)品的流體包裹體越少，產(chǎn)品品質(zhì)越好。北秦嶺地區(qū)典型樣品經(jīng)過提純后的產(chǎn)品中流體包裹體指數(shù)值均在90 以上，其中以LD-05 樣品中的包裹體指數(shù)最高，接近美國尤尼明公司標準砂水平。

表4 典型樣品提純后產(chǎn)品流體包裹體指數(shù)Table 4 Fluid inclusion index of typical samples after purification

5 結(jié)論與展望

不同于大多數(shù)以脈石英為主要找礦方向的研究，作者團隊提出花崗偉晶巖型高純石英找礦方向，并取得顯著找礦成果，在北秦嶺地區(qū)新發(fā)現(xiàn)可制備4N 級偉晶巖型高純石英礦點20 余處、4N5 級以上高純石英礦產(chǎn)地1 處，探獲高純石英礦物資源量69 萬t。

作者團隊開創(chuàng)性地建立國內(nèi)唯一的高純石英“成礦遠景區(qū)預測—調(diào)查區(qū)圈定—樣品精準采集—預處理—選礦深度除雜—化學深度提純—產(chǎn)品檢測分析”全鏈條調(diào)查評價體系，并選擇北秦嶺地區(qū)為例進行了方法驗證。北秦嶺地區(qū)不同類型典型偉晶巖脈體的石英礦物經(jīng)過提純加工后SiO2含量達到或接近99.995%，其流體包裹體接近美國尤尼明公司標準砂水平，表明北秦嶺地區(qū)偉晶巖型資源具備制備高純石英產(chǎn)品的潛力。該方法體系實現(xiàn)了北秦嶺地區(qū)偉晶巖型高純石英資源的精準調(diào)查評價。最重要的是偉晶巖中主要礦物組成相對穩(wěn)定、嵌布關(guān)系相對簡單，該調(diào)查評價體系針對不同地區(qū)的樣品具有較強的可推廣、可復制性，可為我國偉晶巖型高純石英資源的找礦提供借鑒，有力支撐了我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵資源材料的安全供給，具有重要現(xiàn)實意義。

后記

依托研究成果，作者團隊以“河南省三門峽市盧氏縣龍泉坪偉晶巖型高純石英礦”為題參評了自然資源部礦產(chǎn)勘查技術(shù)指導中心開展的“2011-2021年優(yōu)秀找礦新發(fā)現(xiàn)”評選；單位組織申報的自然資源部高純石英資源開發(fā)利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心已經(jīng)獲批，相關(guān)工作得到了自然資源部的認可。